Reti di calcolatori: domande di esercitazione con spiegazioni

1Che cos’è una rete di calcolatori

Una rete è un gruppo di dispositivi che si scambiano dati: portatili, telefoni, server, stampanti. I dispositivi presenti in essa si chiamano host.

Una rete all’interno di un edificio o di un campus è una LAN (local area network, rete locale). Una rete tra città o paesi è una WAN (wide area network, rete geografica). Internet collega milioni di reti.

I dati non viaggiano come un unico lungo flusso. Vengono suddivisi in piccoli pezzi chiamati pacchetti, e ogni pacchetto trova la propria strada verso la destinazione.

I dispositivi possono capirsi solo se seguono le stesse regole. Un insieme di regole sul formato e sull’ordine dei messaggi è un protocollo. TCP, IP e HTTP sono protocolli.

La maggior parte dei servizi segue il modello client–server: un client, come il tuo browser, invia una richiesta, e un server restituisce la risposta.

Due termini descrivono quanto è veloce una connessione. La larghezza di banda è la velocità massima di trasmissione dei dati, per esempio 100 Mbit/s. La latenza è il ritardo prima che i dati arrivino, misurato in millisecondi.

2Livelli e incapsulamento

Il networking è suddiviso in livelli. Ogni livello risolve un problema e usa il livello sottostante. Il modello OSI ha 7 livelli; il modello TCP/IP usato su Internet li raggruppa in 4 o 5.

• 1 Fisico: invia bit grezzi come segnali elettrici, luminosi o radio attraverso cavi e aria.
• 2 Collegamento dati: consegna frame tra dispositivi della stessa rete locale, usando gli indirizzi MAC. Qui si trovano Ethernet e Wi-Fi.
• 3 Rete: consegna pacchetti attraverso le reti, usando gli indirizzi IP. Qui lavorano i router.
• 4 Trasporto: consegna i dati tra programmi, usando i numeri di porta. TCP invia segmenti; UDP invia datagrammi.
• 5–7 Sessione, presentazione, applicazione: i servizi che le persone usano, come HTTP per il web, DNS per i nomi e SMTP per la posta elettronica.

Quando i dati vengono inviati, ogni livello aggiunge il proprio header davanti ai dati del livello superiore. Questo si chiama incapsulamento. Il ricevente rimuove gli header in ordine inverso.

TCP stabilisce prima una connessione (l’handshake a tre vie SYN, SYN-ACK, ACK). Numera i dati, aspetta le conferme e rinvia ciò che si perde. È affidabile e ordinato.

UDP invia senza connessione e senza ritrasmissione. È più veloce e si usa dove il ritardo conta più di un pacchetto perso: video in diretta, giochi e brevi query DNS.

3Indirizzi, dispositivi e protocolli ausiliari

Tre tipi di indirizzo lavorano insieme, uno per livello:

• Indirizzo MAC (livello 2): un indirizzo hardware di 48 bit di una scheda di rete. Si usa solo all’interno della rete locale.
• Indirizzo IP (livello 3): un indirizzo IPv4 ha 32 bit, un indirizzo IPv6 128 bit. Dice dove si trova un host su Internet.
• Numero di porta (livello 4): sceglie il programma sull’host. Le porte ben note vanno da 0 a 1023: HTTP 80, HTTPS 443, SSH 22, DNS 53, SMTP 25.

I dispositivi seguono gli stessi livelli. Un hub (livello 1) copia ogni segnale su tutte le porte. Uno switch (livello 2) invia un frame solo alla porta dell’indirizzo MAC di destinazione. Un router (livello 3) inoltra i pacchetti tra le reti.

Alcuni protocolli ausiliari fanno funzionare tutto questo:

• DHCP assegna a un host il suo indirizzo IP, la maschera, il gateway predefinito e il server DNS quando entra nella rete.
• DNS traduce un nome come example.com in un indirizzo IP, come un elenco telefonico.
• ARP trova l’indirizzo MAC che corrisponde a un indirizzo IP nella rete locale.
• ICMP trasporta messaggi di errore e di prova. Il comando ping usa richieste echo ICMP.
• NAT permette a molti dispositivi con indirizzi privati (10.x, 172,16–31.x, 192,168.x) di condividere un unico indirizzo pubblico.

Il gateway predefinito è il router a cui un host invia ogni pacchetto quando la destinazione è fuori dalla propria sottorete.

4Il metodo passo dopo passo

La maggior parte delle domande, dalle definizioni ai casi di risoluzione dei problemi, si può risolvere con gli stessi passaggi.

1. Trova il livello. La domanda riguarda segnali, frame e indirizzi MAC, pacchetti e indirizzi IP, porte e connessioni, oppure un’applicazione?
2. Indica il dispositivo o il protocollo che opera a quel livello: hub, switch o router; Ethernet, IP, TCP o UDP; DNS, DHCP o HTTP.
3. Per un guasto, elenca che cosa funziona ancora e che cosa no. Ciò che funziona dimostra che tutti i livelli sottostanti vanno bene.
4. Cerca il livello più basso che può spiegare tutto ciò che non funziona. Quella è la causa più probabile.
5. Controlla la risposta rispetto agli altri fatti della domanda: deve spiegarli tutti.

Per brevi calcoli: il ritardo di trasmissione è la dimensione del pacchetto divisa per la velocità del collegamento, e il ritardo di propagazione è la distanza divisa per la velocità del segnale.

5Un esempio svolto

Segui ogni passaggio. Prova a prevedere il successivo prima di aprirlo.

6Errori comuni

• Confondere DNS e DHCP. Il DNS traduce i nomi in indirizzi; il DHCP assegna gli indirizzi.
• Confondere uno switch e un router. Uno switch usa gli indirizzi MAC all’interno di una rete; un router usa gli indirizzi IP tra le reti.
• Pensare che UDP sia un “TCP scadente”. Viene scelto di proposito quando conta più un basso ritardo che ritrasmettere i dati persi.
• Confondere la larghezza di banda (capacità) con la latenza (ritardo).
• Collocare i numeri di porta al livello di rete. Le porte appartengono al livello di trasporto; gli indirizzi IP al livello di rete.
• Dimenticare il gateway predefinito. Senza di esso, un host raggiunge la propria sottorete ma niente oltre.

7Come sono fatte le domande d’esame

• Facile: termini e fatti chiave. Il numero di livelli OSI, che cosa fanno DNS o DHCP, i numeri di porta predefiniti, la dimensione di un indirizzo IPv4.
• Medio: applicare i concetti. Il livello di un dispositivo, perché si sceglie un protocollo, che cosa fanno ARP, NAT o l’handshake TCP, piccoli calcoli su sottoreti e ritardi.
• Difficile: casi e analisi. Scenari di risoluzione dei problemi, comportamento di TCP in caso di perdite e congestione, protocolli di instradamento, attacchi come ARP spoofing o SYN flood, e TLS.

Ogni domanda ha quattro opzioni. Elimina prima le opzioni che appartengono al livello sbagliato; spesso ne resta una sola.